JP2622537B2 - Measuring instrument for detecting alcohol content in air-fuel mixture - Google Patents

Measuring instrument for detecting alcohol content in air-fuel mixture

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JP2622537B2
JP2622537B2 JP3517377A JP51737791A JP2622537B2 JP 2622537 B2 JP2622537 B2 JP 2622537B2 JP 3517377 A JP3517377 A JP 3517377A JP 51737791 A JP51737791 A JP 51737791A JP 2622537 B2 JP2622537 B2 JP 2622537B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、混合気のアルコール含有量をコンデンサの
キャパシタンスとコンダクタンスを測定することにより
検出する測定器であって、 前記コンデンサは、ケーシングの壁の一部により形成
される第1の電極と、混合気の流れに曝されるセンサ素
子により形成される第2の電極からなり、 測定器には測定回路が設けられており、該測定回路は
前記コンデンサと電気的に接続されており、さらに発振
器を有し、 当該発振器の周波数からコンデンサのキャパシタンス
が求められる形式の測定器に関する。
The present invention is a measuring instrument for detecting the alcohol content of an air-fuel mixture by measuring the capacitance and conductance of a condenser, wherein the condenser is formed by a part of a casing wall. The measuring device includes a first electrode and a second electrode formed by a sensor element exposed to a flow of an air-fuel mixture. The measuring device is provided with a measuring circuit, and the measuring circuit is electrically connected to the capacitor. The present invention further relates to a measuring instrument having an oscillator, wherein the capacitance of the capacitor is determined from the frequency of the oscillator.

欧州特許出願第0335168号明細書には、アルコール−
ガソリン混合気により駆動される内燃機関の駆動方法が
記載されている。供給される混合気のアルコール含有量
の測定は、供給される混合気量の前制御に利用される。
混合気のアルコール含有量は、混合気の通流する測定デ
バイスのキャパシタンスと損失抵抗(以下、コンダクタ
ンスと表す)の測定により共通の測定回路にて検出され
る。この測定回路は発振することができ、その周波数が
キャパシタンスの尺度として評価される。有利には測定
デバイスは発振器の周波数決定素子として使用される。
発振器の周波数は別のコンデンサの並列接続または切り
換え可能な遅延により変化することができる。
EP 0 335 168 describes alcohols
A method for driving an internal combustion engine driven by a gasoline mixture is described. The measurement of the alcohol content of the supplied mixture is used for pre-control of the supplied mixture.
The alcohol content of the air-fuel mixture is detected by a common measurement circuit by measuring the capacitance and the loss resistance (hereinafter, referred to as conductance) of the measurement device through which the air-fuel mixture flows. This measuring circuit can oscillate, the frequency of which is evaluated as a measure of the capacitance. The measuring device is preferably used as a frequency determining element of an oscillator.
The frequency of the oscillator can be changed by the parallel connection of another capacitor or by a switchable delay.

発振器は高周波数で動作し、測定デバイスのキャパシ
タンスによりほぼ定められる信号を送出する。この信号
は、コンデンサの損失を表すコンダクタンスにも依存し
ている。非常に高速の構成素子を使用しているにもかか
わらず、発振器の入力側からその出力側までの信号の走
行遅延時間はもはや無視することができない。構成素子
の製造公差に依存してこの走行遅延時間は変化し得る。
The oscillator operates at a high frequency and emits a signal approximately determined by the capacitance of the measuring device. This signal is also dependent on the conductance which represents the loss of the capacitor. Despite the use of very high-speed components, the transit delay of the signal from the input of the oscillator to its output can no longer be neglected. Depending on the manufacturing tolerances of the components, this delay time can vary.

走行遅延時間はさらに温度および供給電圧に依存し、
その他に経年変化を有しているから、測定デバイスのキ
ャパシタンスを検出するためには高いコストが必要であ
る。
The travel delay further depends on the temperature and the supply voltage,
In addition, high costs are required to detect the capacitance of the measuring device due to its aging.

本発明の課題は、測定デバイスのキャパシタンスを、
構成素子の公差を考慮して検出することのできる、冒頭
に述べた測定器を提供することである。
The object of the present invention is to reduce the capacitance of the measuring device,
It is an object of the invention to provide a measuring device as described at the outset, which can be detected in view of component tolerances.

この課題は本発明により、発振器の入力側は制御回路
と接続されており、 該制御回路から、少なくとも3つの異なる大きさの制
御電圧が供給され、 発振器の出力側は評価回路と接続されており、 該評価回路により、前記制御電圧の各々の際に調整さ
れる発振器周波数が測定され、 測定された発振器周波数からコンデンサのキャパシタ
ンスとコンダクタンスが求められるように構成して解決
される。
According to the invention, the input of the oscillator is connected to a control circuit, from which at least three control voltages of different magnitudes are supplied, and the output of the oscillator is connected to an evaluation circuit. The problem is solved by configuring the evaluation circuit such that the oscillator frequency adjusted for each of the control voltages is measured, and the capacitance and conductance of the capacitor are determined from the measured oscillator frequency.

本発明の利点は、測定デバイス器が安価で簡単な構成
素子から構成されることである。測定器は測定デバイス
と測定回路を有する。測定回路は発振器と制御回路から
なる。発振器はコンパレータを有し、このコンパレータ
はRC回路網だけに接続されている。測定デバイスはRC回
路網の一部である。1つのセンサ素子だけで測定デバイ
スのキャパシタンスおよびコンダクタンスを検出するこ
とができる。
An advantage of the present invention is that the measuring device is composed of inexpensive and simple components. The measuring instrument has a measuring device and a measuring circuit. The measurement circuit includes an oscillator and a control circuit. The oscillator has a comparator, which is connected to the RC network only. The measuring device is part of the RC network. The capacitance and conductance of the measuring device can be detected with only one sensor element.

発振器は、測定サイクル内で制御回路により変化され
る周波数で発振する。周波数はキャパシタンスおよびコ
ンダクタンスを検出するため評価される。制御回路では
市販されているゲート、または半導体回路を有する集積
回路が使用される。このゲートはトライステート出力側
を有する。ゲートおよび集積回路は抵抗回路網だけに接
続されている。測定回路は、用途特定集積回路(ASIC)
として実現することもできる。
The oscillator oscillates at a frequency that is changed by the control circuit within a measurement cycle. The frequency is evaluated to detect capacitance and conductance. As the control circuit, a commercially available gate or an integrated circuit having a semiconductor circuit is used. This gate has a tri-state output. The gate and the integrated circuit are connected only to the resistor network. Measurement circuit is application specific integrated circuit (ASIC)
It can also be realized as.

本発明の2つの実施例が図面に示されており、以下詳
細に説明する。
Two embodiments of the present invention are shown in the drawings and are described in detail below.

図1は、混合気のアルコール含有量検出用測定器の断
面図、 図2は、図1の測定器の測定回路の回路図、 図3aとbは、制御回路の2つの状態に対する、図2の
測定回路の等価回路図、 図4は、図1の測定器の別の実施例の測定回路の図、 図5は、混合気温度T=20℃の際の混合気のアルコー
ル含有量と相対誘電率εrとの関係を示す線図、 図6は、種々異なるアルコール含有量を有する混合気
に対する、温度Tに依存する相対誘電率εrを示す線図
である。
1 is a cross-sectional view of a measuring device for detecting the alcohol content of an air-fuel mixture, FIG. 2 is a circuit diagram of a measuring circuit of the measuring device of FIG. 1, and FIGS. 3A and 3B are FIGS. FIG. 4 is a diagram of a measuring circuit of another embodiment of the measuring device of FIG. 1, and FIG. 5 is a diagram showing an alcohol content and a relative amount of the mixture at a mixture temperature T = 20 ° C. graph showing the relationship between the dielectric constant epsilon r, 6, for mixture with different alcohol content, it is a graph showing the relative permittivity epsilon r which depends on the temperature T.

混合気のアルコール含有量を検出するための測定器
(図1)は測定デバイスと測定回路1を有する。測定デ
バイスはケーシング2と、例えば2つのセンサ素子3と
4を有する。アルコールとガソリンの含まれる混合気は
燃料チャネル内をケーシング2を通って矢印の方向に流
れる。センサ素子3と4は中間プレート6にガラス付け
されており、ワイヤ7を介して測定回路1と電気接続さ
れている。第1のセンサ素子3には混合気温度を測定す
るための温度センサ8が配置されている。ケーシング2
は底板9により封鎖されている。
The measuring device (FIG. 1) for detecting the alcohol content of the mixture has a measuring device and a measuring circuit 1. The measuring device has a housing 2 and, for example, two sensor elements 3 and 4. The mixture containing alcohol and gasoline flows in the fuel channel in the direction of the arrow through the casing 2. The sensor elements 3 and 4 are glass-mounted on the intermediate plate 6 and are electrically connected to the measuring circuit 1 via wires 7. The first sensor element 3 is provided with a temperature sensor 8 for measuring an air-fuel mixture temperature. Casing 2
Are closed by a bottom plate 9.

ケーシング2の壁の一部は第1の電極を形成し、セン
サ素子3はコンデンサCpの第2の電極を形成する。この
コンデンサのキャパシタンスが測定される。混合気はセ
ンサ素子3と4を通流し、その際コンデンサCpの誘電体
を形成する。コンデンサCpのキャパシタンスから混合気
の相対誘電率εrが算出される。
Part of a wall of the casing 2 forms a first electrode, the sensor element 3 forms a second electrode of the capacitor C p. The capacitance of this capacitor is measured. Air mixture flows through the sensor element 3 4, whereby to form a dielectric of the capacitor C p. The relative dielectric constant epsilon r of the mixture from the capacitance of the capacitor C p is calculated.

混合気はアルコールとガソリンの容積成分からなる。
アルコールとガソリンは異なる誘電率を有する。混合気
の相対誘電率εrとアルコール容積百分率との関係が、
混合気温度T=20℃の場合について図5に示されてい
る。相対誘電率εrと摂氏(℃)での混合気温度Tとの
関係は、アルコールの種々異なる容積百分率において図
6に示されている。従って混合気の相対誘電率εrを知
れば、アルコール含有量を求めることができる。
The mixture comprises alcohol and gasoline volume components.
Alcohol and gasoline have different dielectric constants. The relationship between the relative permittivity epsilon r and alcohol percentage by volume of the mixture,
FIG. 5 shows the case where the mixture temperature T = 20 ° C. The relationship between the relative permittivity ε r and the mixture temperature T in degrees Celsius (° C.) is shown in FIG. 6 for different volume percentages of alcohol. Thus knowing the relative permittivity epsilon r of the mixture, it is possible to determine the alcohol content.

第1のセンサ素子3(図1)によりコンデンサCpのキ
ャパシタンスが測定される。二次的影響、例えば混合気
の汚染を測定の際に補償するために、測定デバイスのコ
ンダクタンスRpが第2のセンサ素子4により測定され
る。コンダクタンスは誘電体の抵抗、従ってコンデンサ
Cpの損失を表す。これによりコンデンサCpのキャパシタ
ンスの測定が計算的にまたは回路技術的に補正される。
測定デバイスが1つのセンサ素子のみを有するならば、
コンデンサCpのキャパシタンスとコンダクタンスRpはこ
のセンサ素子により順次測定される。
The capacitance of the capacitor C p is measured by the first sensor element 3 (Figure 1). In order to compensate for secondary effects, such as contamination of the mixture, in the measurement, the conductance R p of the measuring device is measured by the second sensor element 4. Conductance is the resistance of the dielectric and therefore the capacitor
Representing a loss of C p. Thus the measurement of the capacitance of the capacitor C p is computationally or circuit technically correct.
If the measuring device has only one sensor element,
Capacitance and conductance R p of the capacitor C p is sequentially measured by the sensor element.

センサ素子3と4はニッケル−鉄合金から作成され、
薄い壁厚を有する。この材料は測定回路1へのワイヤ7
との接触接続が良好に行われるという利点を有する。そ
れぞれ1つのワイヤ7がセンサ素子3と4に溶接され、
それぞれ測定回路1にろう付される。このようにしてセ
ンサ素子3または4はコンデンサCpと測定回路1との間
の電気接続路となる。センサ素子3の壁が薄いことによ
り温度センサ8への良好な熱伝導がなされる。従って、
アルコール含有量の検出の際に相対誘電率εrの依存性
が考慮される(図6参照)。
The sensor elements 3 and 4 are made from a nickel-iron alloy,
It has a thin wall thickness. This material is the wire 7 to the measuring circuit 1
This has the advantage that the contact connection with the substrate is made well. One wire 7 is welded to each of the sensor elements 3 and 4,
Each is brazed to the measuring circuit 1. In this way, the sensor element 3 or 4 becomes an electrical connection between the capacitor Cp and the measuring circuit 1. Due to the thin wall of the sensor element 3, good heat conduction to the temperature sensor 8 is achieved. Therefore,
In detecting the alcohol content, the dependence of the relative dielectric constant ε r is taken into account (see FIG. 6).

センサ素子3と4は同じように構成される。2つのセ
ンサ素子はケーシング2に対してほぼ同じ距離を有す
る。これらセンサ素子はガラス付けによりケーシング2
から電気的および熱的に絶縁されている。
The sensor elements 3 and 4 have the same configuration. The two sensor elements have approximately the same distance from the casing 2. These sensor elements are attached to the casing 2
Electrically and thermally insulated from

ケーシング2はアルミニウムからダイカストで製造さ
れる。混合気は化学的に非常に侵害的があり得るので、
ケーシング2は銅またはニッケルで被覆される。これに
よりケーシング2は底板9と共に、電磁界に対する有効
なシールド作用を呈する。
The casing 2 is manufactured from aluminum by die casting. The mixture can be very invasive chemically,
The casing 2 is coated with copper or nickel. As a result, the casing 2 together with the bottom plate 9 exhibits an effective shielding action against electromagnetic fields.

図1の測定器ではコンデンサCpのキャパシタンスと、
2つのセンサ素子3と4を有する測定デバイスのコンダ
クタンスRpが検出される。適用例に応じて混合気のアル
コール含有量を検出するために、1つのセンサ素子のみ
を有する測定デバイスを使用することもできる。この場
合、コンデンサCpのキャパシタンスとコンダクタンスRp
は時間的に連続して測定される。測定回路1は2つの測
定デバイスのそれぞれに接続することができる。
In the measuring device of FIG. 1, the capacitance of the capacitor C p and
The conductance R p of a measuring device having two sensor elements 3 and 4 is detected. Depending on the application, a measuring device having only one sensor element can also be used for detecting the alcohol content of the mixture. In this case, the capacitance of the capacitor C p and the conductance R p
Is measured continuously over time. The measuring circuit 1 can be connected to each of the two measuring devices.

測定回路1(図2)は発振器20と、発振器に前置接続
された制御回路30からなる。発振器20はコンパレータ21
とRC回路網を有し、RC回路網にはコンパレータが接続さ
れている。コンパレータ21の出力側22は抵抗R1を介して
コンパレータの正入力側(P入力側)に、また抵抗R0
介して負入力側(N入力側)に帰還結合されている。
The measuring circuit 1 (FIG. 2) comprises an oscillator 20 and a control circuit 30 connected before the oscillator. Oscillator 20 is comparator 21
And a RC network, and a comparator is connected to the RC network. The output side 22 of the comparator 21 to the positive input of the comparator via a resistor R 1 (P input), and is also fed back coupled through a resistor R 0 to the negative input side (N input).

出力側22は図2に図示されていないマイクロコントロ
ーラにも接続されている。そこでは測定結果の評価が行
われる。すなわち、コンデンサCpのキャパシタンス並び
に相対誘電率εrの検出、ひいては混合気のアルコール
含有量が検出が行われる。
Output 22 is also connected to a microcontroller not shown in FIG. There, the measurement results are evaluated. That is, the detection of the capacitance and the relative dielectric constant epsilon r of the capacitor C p, and thus the alcohol content of the mixture is carried out to detect.

コンデンサCpとコンダクタンスRpにより表される測定
デバイスはRC回路網の一部である。測定デバイスはコン
パレータ21のN入力側と接続されている。直列に接続さ
れた結合コンデンサCkを介して測定デバイスはアースと
接続されている。測定デバイスに並列に別のコンデンサ
Cp0がアースに接続されている。
Measuring device represented by a capacitor C p and the conductance R p is part of the RC network. The measuring device is connected to the N input side of the comparator 21. The measuring device is connected to ground via a coupling capacitor C k connected in series. Another capacitor in parallel with the measuring device
C p0 is connected to ground.

コンパレータ21のP入力側とは分圧器の中間タップが
接続されている。この分圧器は抵抗R2aを介して供給電
圧U0と、抵抗R2bを介してアースと接続されている。
The intermediate tap of the voltage divider is connected to the P input side of the comparator 21. The voltage divider of the supply voltage U 0 via the resistor R 2a, and is connected to ground via a resistor R 2b.

制御回路30は抵抗R3a,R3b,R4a,R4b並びに2つのゲ
ート31と32からなる。2つのゲートはトライステート出
力側314、315、324、325を有する。ゲート31と32はイネ
ーブル入力側311ないし321を介してマイクロコントロー
ラにより相互に別個に制御される。イネーブル入力側31
1と321が論理“ハイ”レベルにあれば、入力側312、31
3、322、323の論理レベルが出力側314、315、324、325
にそのまま導通される(ゲートはイネーブルされてい
る)。イネーブル入力側311または321が論理“ロー”レ
ベルにあれば、ゲート21ないし32は遮断され(ディスエ
ーブル)、ゲートの出力側314と315ないし324と325の出
力インピーダンスは高抵抗状態となる。
The control circuit 30 comprises resistors R 3a , R 3b , R 4a , R 4b and two gates 31 and 32. The two gates have tri-state outputs 314, 315, 324, 325. Gates 31 and 32 are controlled independently of each other by the microcontroller via enable inputs 311 to 321. Enable input side 31
If 1 and 321 are at a logic "high" level, inputs 312, 31
3, 322, 323 logic level on output side 314, 315, 324, 325
(The gate is enabled). When the enable input 311 or 321 is at a logic "low" level, the gates 21-32 are disabled (disabled) and the output impedance of the gate outputs 314 and 315-324 and 325 is in a high resistance state.

制御回路30は、2つのイネーブル入力側311と321の制
御に応じて4つの異なる状態をとる。すなわち4つの異
なる制御電圧が形成される。第1の状態ではゲート31が
ディスエーブルされ、ゲート32がイネーブルされる。第
2の状態では2つのゲートがディスエーブルされる。第
3の状態ではゲート32がディスエーブルされ、ゲート31
がイネーブルされる。そして第4の状態では2つのゲー
トがイネーブルされる。
The control circuit 30 has four different states depending on the control of the two enable inputs 311 and 321. That is, four different control voltages are formed. In the first state, gate 31 is disabled and gate 32 is enabled. In the second state, the two gates are disabled. In the third state, gate 32 is disabled and gate 31
Is enabled. In the fourth state, two gates are enabled.

ゲート31と32の出力側314、315、324、325は抵抗
R3a,R3b,R4a,R4bを介してP入力側と接続されている。
例えばゲート31と32がディスエーブルされていれば(図
2)、高抵抗出力インピーダンスはこの個所において無
負荷状態のように作用する。等価回路として図3のaが
得られる。抵抗R3a,R3b,R4a,R4bはこの状態において
何の影響も測定回路1に及ぼさない。たんに抵抗R2a,R
2bがコンパレータ21のP入力側での入力電圧U+を定め
るだけである。
Outputs 314, 315, 324, 325 of gates 31 and 32 are resistors
It is connected to the P input side via R 3a , R 3b , R4a, R4b.
For example, if gates 31 and 32 are disabled (FIG. 2), the high resistance output impedance acts like a no-load condition at this point. FIG. 3A is obtained as an equivalent circuit. The resistors R 3a , R 3b , R 4a and R 4b have no effect on the measuring circuit 1 in this state. Simply resistance R 2a , R
2b only determines the input voltage U + at the P input of the comparator 21.

例えばゲート31と32がイネーブルされると(図2)、
入力電圧はゲートの出力側に導通される。すなわち、
“ハイ”レベルが出力側314と324に、“ロー”レベルが
出力側315と325に直接現われる。
For example, if gates 31 and 32 are enabled (FIG. 2),
The input voltage is conducted to the output side of the gate. That is,
A "high" level appears directly at outputs 314 and 324, and a "low" level appears directly at outputs 315 and 325.

この状態に対する等価回路は図3のbに示されてい
る。それぞれ抵抗R3a,R3b,R4a,R4bに直列に接続され
るゲート31または32の内部抵抗は無視することができ
る。というのは、抵抗R3a,R3b,R4a,R4bは内部抵抗よ
りも格段に大きく選定されているからである。これによ
り供給電圧U0は出力側314と324に現われ、アースは出力
側315と325に直接接続される。この状態において、コン
パレータ21のP入力側での入力電圧U+(制御電圧)は、
抵抗R2a,R2b,R3a,R3b,R4a,R4bにより並列に接続さ
れた3つの分圧器により定められる。
The equivalent circuit for this situation is shown in FIG. The internal resistance of the gate 31 or 32 connected in series with the resistors R 3a , R 3b , R 4a , R 4b respectively can be neglected. This is because the resistors R 3a , R 3b , R 4a , and R 4b are selected to be much larger than the internal resistance. This causes the supply voltage U 0 to appear at the outputs 314 and 324, and the ground is directly connected to the outputs 315 and 325. In this state, the input voltage U + (control voltage) at the P input side of the comparator 21 is
It is determined by three voltage dividers connected in parallel by resistors R 2a , R 2b , R 3a , R 3b , R 4a and R 4b .

抵抗R2a,R2b,R3a,R3b,R4a,R4bはそれぞれ対で同
じ大きさである。すなわち、R2a=R2b,R3a=R3b,R4a
=R4bである。これにより、各状態において同じ動作点
がコンパレータ21のP入力側に存在することが保証され
る。すなわち、P入力側には各状態において、供給電圧
U0とアースとの間で対称の平均電圧電位が存在する。こ
の実施例では抵抗R2a=R2b=R3a=R3b=R4a=R4bはほぼ
200Ωである。これによりコンパレータ21の動作点は、
供給電圧がU0=+5Vの場合、約+2.5Vである。
The resistances R 2a , R 2b , R 3a , R 3b , R 4a , and R 4b are the same in pairs. That is, R 2a = R 2b , R 3a = R 3b , R 4a
= R4b . This ensures that the same operating point is present at the P input of the comparator 21 in each state. That is, in each state, the supply voltage is applied to the P input side.
There is a symmetric average voltage potential between U 0 and ground. In this embodiment, the resistances R 2a = R 2b = R 3a = R 3b = R 4a = R 4b
200Ω. Thus, the operating point of the comparator 21 is
If the supply voltage is U 0 = + 5V, it is about + 2.5V.

抵抗R1は約200Ωであり、抵抗R0は約680Ωである。ゲ
ート31と32はナショナルセミコンダクタ社の74ACT245形
のバスドライバーにより実現される。コンパレータ21と
してTI社のモジュール素子CF72220が使用される。測定
回路1は用途特定集積回路(ASIC=Application Specif
ic Integrated Circuit)として1つに実現することも
できる。
Resistance R1 is about 200Ω and resistance R0 is about 680Ω. Gates 31 and 32 are implemented with National Semiconductor's 74ACT245 bus driver. As the comparator 21, a module element CF72220 manufactured by TI is used. The measurement circuit 1 is an application specific integrated circuit (ASIC = Application Specif
ic integrated circuit).

コンデンサCpとCp0の充放電により、コンパレータ21
の出力信号が帰還路を介して遅延されてその2つのPお
よびN入力側に供給される。これにより発振器20は発振
器周波数fまたは周期期間Tで発振し、その伝送特性曲
線はヒステリシス曲線を有する。
The charge and discharge of the capacitors C p and C p0 cause the comparator 21
Is delayed via a feedback path and supplied to its two P and N inputs. As a result, the oscillator 20 oscillates at the oscillator frequency f or the period T, and its transmission characteristic curve has a hysteresis curve.

測定デバイスを直流電圧的に減結合し、動作点をP入
力側に対して対称に設定するために、カップリングコン
デンサCkが、コンデンサCpとコンダクタンスRpの並列回
路に対して直列にアースへ接続される。コンデンサCp
キャパシタンスは約6pFと120pFの間である。このキャパ
シタンスは混合気のアルコール含有量に依存する。損失
抵抗(ここではコンダクタンスRpとして表される)は約
500Ωよりも大きい。カップリングコンデンサCkのキャ
パシタンスは約100nFである。カップリングコンデンサC
kのキャパシタンスはコンデンサCpのキャパシタンスよ
りも格段に大きく、2つのコンデンサCkとCpは直列に接
続されているから、カップリングコンデンサCkはコンデ
ンサCpのキャパシタンスの検出の際に無視することがで
きる。
In order to decouple the measuring device in terms of DC voltage and to set the operating point symmetrically with respect to the P input side, the coupling capacitor C k is connected in series with the parallel circuit of the capacitor C p and the conductance R p. Connected to The capacitance of the capacitor C p is between about 6pF and 120 pF. This capacitance depends on the alcohol content of the mixture. The loss resistance (expressed here as conductance R p ) is approximately
Greater than 500Ω. The capacitance of the coupling capacitor C k is about 100 nF. Coupling capacitor C
k capacitance is much larger than the capacitance of the capacitor C p, from the two capacitors C k and C p are connected in series, the coupling capacitor C k is ignored in the detection of the capacitance of the capacitor C p be able to.

コンパレータ21のP入力側での制御電圧は動作点を中
心に対称に発振し、また制御回路30の種々異なる状態に
依存する。制御電圧に対して次式が成り立つ。
The control voltage at the P input of the comparator 21 oscillates symmetrically about the operating point and depends on different states of the control circuit 30. The following equation holds for the control voltage.

ただし、U+nはP入力側での制御電圧、RiaとRibは、i
=2に対してはR2aおよびR2bを表し、相応のことがi=
3と4に対してもあてはまる。
Where U + n is the control voltage at the P input side, and Ria and Rib are i
= 2 represents R 2a and R 2b , correspondingly i =
The same is true for 3 and 4.

状態n=2,3,4に対して、制御回路30が第2、第3な
いし第4の状態をとるとき、式(1)はP入力側の制御
電圧を表す。αnは定数であり、上に述べた抵抗の選定
構成の際、第2の状態においてα2=1/3、第3の状態に
おいてα3=1/5そして第4の状態においてα4=1/7であ
る。
When the control circuit 30 takes the second, third or fourth state for the states n = 2, 3, and 4, equation (1) represents the control voltage on the P input side. α n is a constant, and in the above-described resistor selection configuration, α 2 = 1/3 in the second state, α 3 = 1/5 in the third state, and α 4 = 1/7.

N入力側の入力電圧U-は微分式により表される。Input voltage U of N input side - it is represented by the differential equation.

Ua=U-・(1+R0/Rp)+dU-/dt・R0・Cp (2) ただし項dU-/dtは入力電圧U-の時間導関数を表す。 U a = U - · (1 + R 0 / R p) + dU - / dt · R 0 · C p (2) except claim dU - / dt input voltage U - represents the time derivative of.

測定回路1の動作点はP入力側での分圧器により調整
され、出力電圧Uaは動作点に対して対称であり、出力電
圧偏移aの2つの値のみをとり得ることが前提であ
る。動作点での出力電圧Uaに対して次式があてはまる。
It is assumed that the operating point of the measuring circuit 1 is adjusted by a voltage divider on the P input side, the output voltage U a is symmetrical with respect to the operating point, and can take only two values of the output voltage deviation a. . The following equation is true for the output voltage U a at the operating point.

ただし、m=1,2,……(整数;周期の数)、T=周期期
間、t=時間である。
Here, m = 1, 2,... (Integer; number of cycles), T = cycle period, and t = time.

式(1)により、制御回路30の各状態に対して、P入
力側での周期期間Tnの制御電圧U+が次式について得られ
る。
The equation (1), for each state of the control circuit 30, the control voltage of the cycle period T n in the P input U + is obtained for the following equation.

そしてN入力側の入力電圧U-については、 ただし、R=R0‖Rp=R0・Rp/(R0+Rp)であり、-
はN入力側の入力電圧偏移である。
The input voltage U of N input - for, However, an R = R 0 ‖R p = R 0 · R p / (R 0 + R p), -
Is the input voltage deviation on the N input side.

入力電圧U-は発振器周波数f、周期期間Tでヒステリ
シス曲線に従い発振する。この場合、式(5)により与
えられる2つの電圧値(スイッチ電圧)により動作点に
対称に発振する。
Input voltage U - oscillates the oscillator frequency f, in the cycle period T in accordance with the hysteresis curve. In this case, oscillation occurs symmetrically with respect to the operating point by two voltage values (switch voltages) given by Expression (5).

コンパレータ21の走行遅延時間、すなわち信号がコン
パレータの入力側から出力側22まで通過するのに要する
時間を考慮すれば、式(5)およびひいては入力電圧U-
に対する周辺条件は次のとおりである。
Travel delay time of the comparator 21, ie considering the time required for the signal to pass from the input side of the comparator to the output side 22, the formula (5) and thus the input voltage U -
Are as follows.

U-(t=T/2−L)=U+(t=T/2−L)=αn・Ua/2
(6) U-(t=0)=−U-(t=T/2) (7) 式(6)は、既に走行遅延時間Lだけ切換時点よりの
早期に達成されるスイッチ電圧を表す。式(7)は、入
力電圧U-が時点t=0でスイッチ電圧ではなく、この電
圧を越えて走行遅延時間Lで達する電圧にあることを考
慮している。式(5)の周辺条件を考慮すれば、この式
を周期期間Tに従い解くことができる。状態n=2,3,4
に対して、次の周期期間Tnが得られる。
U - (t = T / 2 -L) = U + (t = T / 2-L) = α n · U a / 2
(6) U (t = 0) = − U (t = T / 2) (7) Equation (6) represents the switch voltage already achieved earlier than the switching time by the running delay time L. Equation (7), the input voltage U - are considering that not a switch voltage at time t = 0, in the voltage reaches the running delay time L beyond this voltage. Considering the peripheral conditions of the equation (5), this equation can be solved according to the cycle period T. State n = 2,3,4
, The next cycle period Tn is obtained.

Tn=2(L+R・Cp・1n(2/(1−αn・(R+Rp)/R
p・exp(−L/(R・Cp)))) (8) 制御回路30の各状態において、別の発振器周波数fお
よび別の周期期間Tn並びに別のヒステリシス曲線が得ら
れる。式((8)には3つの未知のパラメータ、すなわ
ちコンデンサCpの測定すべきキャパシタンス、それに所
属のコンダクタンスRp並びに走行遅延時間Lを含む。他
のパラメータはすべて既知である。3つの未知数を求め
るために1つの測定サイクル内で3つの異なる式が必要
である。これは、マイクロコントローラを介して制御回
路30の3つの状態を調整し、各状態において周期期間Tn
を測定することにより行われる。
T n = 2 (L + R · C p · 1n (2 / (1−α n · (R + R p ) / R
p · exp (−L / (R · C p )))) (8) In each state of the control circuit 30, another oscillator frequency f, another period Tn, and another hysteresis curve are obtained. Equation (8 to the three unknown parameters, namely. Other parameters including conductance Rp and travel delay time L belongs capacitance to be measured of the capacitor C p, it is determined .3 unknowns are all known This requires three different equations within one measuring cycle, which regulates the three states of the control circuit 30 via the microcontroller and in each state the period T n
Is measured.

式(8)から、コンパレータ21の出力電圧Uaが周期期
間Tnに影響を及ぼさなくなる。従って、コンパレータ21
の出力電圧Uaと出力インピーダンスのばらつきは重要で
ない。同様に温度、時間および供給電圧U0の変動も影響
を及ぼさない。
From Expression (8), the output voltage Ua of the comparator 21 does not affect the period Tn. Therefore, the comparator 21
Of the output voltage Ua and the output impedance are not important. Similarly, variations in temperature, time and supply voltage U0 have no effect.

構成素子の公差に基づき、コンパレータ21の入力側か
らその出力側までの信号の走行遅延時間Lは変化し得
る。走行遅延時間Lは各測定サイクルで考慮されるか
ら、コンデンサCpとコンダクタンスRpはコンパレータ21
の構成素子の公差にほぼ依存しないで検出することがで
きる。従って測定回路1では安価なコンパレータ21を、
精度を犠牲にしないで使用することができる。
Based on the tolerances of the components, the running delay time L of the signal from the input of the comparator 21 to its output can vary. Since the running delay time L is considered in each measurement cycle, the capacitor Cp and the conductance Rp are determined by the comparator 21.
Can be detected almost independently of the tolerance of the constituent elements. Therefore, the measurement circuit 1 uses an inexpensive comparator 21,
Can be used without sacrificing accuracy.

この測定回路1により小さなキャパシタンスが測定さ
れる。このようなコンデンサの充放電時間は非常に短い
から、発振器20は高い発振周波数で発振することとな
る。このことも高速で高価な構成素子を必要とする原因
となろう。発振器周波数fがコンパレータ21の有限の走
行遅延時間Lにより制限されているから、コンデンサCp
のキャパシタンスは、発振器周波数fが低減された場合
のみ正確に測定され得る。そのために検出すべきコンデ
ンサCpに既知のコンデンサCp0が並列に接続される。こ
れにより測定すべきキャパシタンスが増大する。すなわ
ち、コンデンサCpとCp0のいキャパシタンスが相互に加
算される。充放電時間も増大する。従って式(8)で
は、コンデンサCpのキャパシタンスをコンデンサCp+Cp
0のキャパシタンスにより置き換えなければならない。
This measuring circuit 1 measures a small capacitance. Since the charging and discharging time of such a capacitor is very short, the oscillator 20 oscillates at a high oscillation frequency. This would also cause the need for fast and expensive components. Since the oscillator frequency f is limited by the finite running delay time L of the comparator 21, the capacitor Cp
Can be accurately measured only when the oscillator frequency f is reduced. For this purpose, a known capacitor Cp0 is connected in parallel to the capacitor Cp to be detected. This increases the capacitance to be measured. That is, the capacitances of the capacitors Cp and Cp0 are added to each other. The charge / discharge time also increases. Therefore, in the equation (8), the capacitance of the capacitor Cp is calculated as follows:
Must be replaced by a zero capacitance.

コンデンサCp0のキャパシタンスはこの実施例の場合
約30pFである。従って、検出すべきキャパシタンスは約
36pFと150pFの間になる。コンデンサCpのキャパシタン
スを得るために、コンデンサCp0のキャパシタンスが測
定結果の評価の際に、例えばマイクロコントローラで計
算的に考慮される。
The capacitance of the capacitor Cp0 is about 30 pF in this embodiment. Therefore, the capacitance to be detected is about
It is between 36pF and 150pF. In order to obtain the capacitance of the capacitor Cp, the capacitance of the capacitor Cp0 is taken into account, for example by a microcontroller, when evaluating the measurement results.

本発明の別の実施例が図4に示されている。図4に
は、既に図1および図2に基づき説明した部分には同じ
参照符号が付してある。
Another embodiment of the present invention is shown in FIG. In FIG. 4, the same reference numerals are given to parts already described based on FIGS.

スイッチS1,S2,S3並びに抵抗R5,R6,R7,R8,R9による抵
抗分圧器を備えた制御回路30Aはコンパレータ21のP入
力側および出力側を介して発振器20Aと接続されてい
る。コンデンサCpおよびコンダクタンスRpにより表され
た測定デバイスはコンパレータ21のN入力側と接続され
ている。直列に接続されたカップリングコンデンサCk
介して測定デバイスはアースと接続されている。コンパ
レータ21の出力側22は抵抗R0を介してN入力側に、また
制御回路30Aを介してコンパレータのP入力側に帰還結
合されている。
A control circuit 30A including switches S1, S2, S3 and a resistor voltage divider including resistors R5, R6, R7, R8, R9 is connected to an oscillator 20A via a P input side and an output side of a comparator 21. The measuring device represented by the capacitor Cp and the conductance Rp is connected to the N input of the comparator 21. Measurement device via the coupling capacitor C k which are connected in series is connected to ground. The output 22 of the comparator 21 is feedback-coupled to the N input via a resistor R0 and to the P input of the comparator via a control circuit 30A.

スイッチS1からS3は図4に図示しないマイクロコント
ローラにより制御される。スイッチS1からS3の位置に応
じて、発振器20AのP入力側には、抵抗分圧器の分圧比
により別の制御電圧が供給される。制御電圧は発振器20
Aのヒステリシス曲線、ひいては調整される発振器周波
数fを定める。式(8)と同様に、ここでも3つの未知
のパラメータを求めなければならない。そのためにマイ
クロコントローラを介して3つの状態が異なる制御電圧
により調整され、並びに各状態において周期期間T、ひ
いては発振器周波数が測定される。
Switches S1 to S3 are controlled by a microcontroller not shown in FIG. Depending on the positions of the switches S1 to S3, another control voltage is supplied to the P input side of the oscillator 20A by the voltage dividing ratio of the resistive voltage divider. The control voltage is oscillator 20
Determine the hysteresis curve of A, and thus the oscillator frequency f to be adjusted. Similar to equation (8), three unknown parameters must be determined here as well. To this end, the three states are adjusted by means of different control voltages via the microcontroller, and in each state the period period T and thus the oscillator frequency are measured.

制御回路にトライステートゲート31と32を使用する代
わりに、この実施例ではスイッチS1からS3が半導体スイ
ッチとして実現される。半導体スイッチの導通抵抗はコ
ンパレータ21の入力インピーダンスよりも格段に小さ
く、従って注意を払う必要はない。スイッチS1からS3の
寄生容量は全測定回路1をASTCとして集積化することに
より無視できる値に縮小される。同様にASTC(図4には
図示していない)には、周期期間Tnを測定するために必
要な部材、カウンタ、マイクロコントローラにより制御
される論理回路、水晶発振器、混合気の温度測定のため
の測定発振器、並びに制御およびデータ伝送のためのイ
ンターフェース回路をスイッチ回路として集積化され
る。
Instead of using tri-state gates 31 and 32 in the control circuit, in this embodiment the switches S1 to S3 are realized as semiconductor switches. The conduction resistance of the semiconductor switch is much smaller than the input impedance of the comparator 21 and therefore requires no attention. The parasitic capacitance of the switches S1 to S3 is reduced to a negligible value by integrating the entire measurement circuit 1 as ASTC. Similarly, ASTC (not shown in FIG. 4) includes components necessary for measuring the period Tn, a counter, a logic circuit controlled by a microcontroller, a crystal oscillator, and a temperature measurement device for measuring the temperature of an air-fuel mixture. The measuring oscillator and the interface circuit for control and data transmission are integrated as a switch circuit.

本発明の測定器は上に述べた技術分野の他に、容量性
センサの領域で他にも適用することができる。測定回路
1は例えば、2つの成分を含む流体の分析用化学セン
サ、充填状態測定デバイス、距離検出器、圧力センサ、
タッチセンサ、または既知の誘電体を有する流体での高
速温度測定器にも使用することができる。
In addition to the technical fields mentioned above, the measuring device according to the invention can be applied in the area of capacitive sensors. The measuring circuit 1 includes, for example, a chemical sensor for analyzing a fluid containing two components, a filling state measuring device, a distance detector, a pressure sensor,
It can also be used for touch sensors, or high-speed thermometers with fluids with known dielectrics.

上に使用した概念“コンダクタンス”は概念“損失抵
抗”と同じ意味である。
The concept "conductance" used above has the same meaning as the concept "loss resistance".

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】混合気のアルコール含有量をコンデンサの
キャパシタンスとコンダクタンスを測定することにより
検出する測定器であって、 前記コンデンサは、ケーシング(2)の壁の一部により
形成される第1の電極と、混合気の流れに曝されるセン
サ素子(3)により形成される第2の電極からなり、 測定器には測定回路(1)が設けられており、該測定回
路は前記コンデンサ(2、3)と電気的に接続されてお
り、さらに発振器(20)を有し、 当該発振器の周波数からコンデンサ(2、3)のキャパ
シタンスが求められる形式の測定器において、 発振器(20)の入力側(P)は制御回路(30)と接続さ
れており、 該制御回路から、少なくとも3つの異なる大きさの制御
電圧が供給され、 発振器(20)の出力側は評価回路と接続されており、 該評価回路により、前記制御電圧の各々の際に調整され
る発振器周波数が測定され、 測定された発振器周波数からコンデンサ(2、3)のキ
ャパシタンス(Cp)とコンダクタンス(Rp)が求められ
ることを特徴とする、混合気のアルコール含有量検出用
測定器。
1. A measuring device for detecting the alcohol content of an air-fuel mixture by measuring the capacitance and conductance of a condenser, wherein the condenser is formed by a first part of a wall of a casing (2). The measuring device is provided with a measuring circuit (1), which is constituted by an electrode and a sensor element (3) exposed to the flow of the air-fuel mixture. A measuring instrument that is electrically connected to the oscillator (20) and further has an oscillator (20), and the capacitance of the capacitor (2, 3) is determined from the frequency of the oscillator. (P) is connected to a control circuit (30), from which at least three different control voltages are supplied, and the output of the oscillator (20) is connected to an evaluation circuit. The evaluation circuit measures the oscillator frequency adjusted for each of the control voltages, and determines the capacitance (Cp) and conductance (Rp) of the capacitors (2, 3) from the measured oscillator frequency. A measuring instrument for detecting the alcohol content of an air-fuel mixture.
【請求項2】発振器(20)の出力側と接続された評価回
路はマイクロコントローラである請求の範囲第1項記載
の測定器。
2. The measuring device according to claim 1, wherein the evaluation circuit connected to the output of the oscillator is a microcontroller.
【請求項3】発振器(20)の出力側と接続された評価回
路はマイクロコントローラであり、 該マイクロコントローラにより、測定された発振器周波
数から発振器の遅延時間(L)が求められる請求の範囲
第1項記載の測定器。
3. The evaluation circuit connected to the output side of the oscillator (20) is a microcontroller, by which the delay time (L) of the oscillator is obtained from the measured oscillator frequency. The measuring device described in the item.
【請求項4】発振器(20)は、コンパレータ(21)を有
し、該コンパレータはRC回路網と接続されている請求の
範囲第1項記載の測定器。
4. The measuring device according to claim 1, wherein the oscillator (20) has a comparator (21) connected to the RC network.
【請求項5】制御回路(30)は、少なくとも1つのゲー
ト(31、32)を有し、該ゲートはトライステート出力側
(314、315、324、325)を有し、抵抗回路網と接続され
ている請求の範囲第1項記載の測定器。
5. The control circuit (30) has at least one gate (31, 32) having a tri-state output (314, 315, 324, 325) and connected to a resistor network. The measuring instrument according to claim 1, wherein the measuring instrument is used.
【請求項6】混合気のアルコール含有量をコンデンサの
キャパシタンスとコンダクタンスを測定することにより
検出する方法であって、 前記コンデンサは、ケーシング(2)の壁の一部により
形成される第1の電極と、混合気の流れに曝されるセン
サ素子(3)により形成される第2の電極からなり、 測定器には測定回路(1)が設けられており、該測定回
路は前記コンデンサ(2、3)と電気的に接続されてお
り、さらに発振器(20)を有し、 当該発振器の周波数からコンデンサ(2、3)のキャパ
シタンスを求める方法において、 制御回路(30)にて少なくとも3つの異なる大きさの制
御電圧を形成し、 当該制御電圧を発振器(20)に供給し、 前記制御電圧の変化によって少なくとも3つの発振器周
波数を形成し、 当該少なくとも3つの発振器周波数から、測定回路
(1)の相応する数のパラメータを求めることを特徴と
する、混合気のアルコール含有量検出方法。
6. A method for detecting the alcohol content of an air-fuel mixture by measuring the capacitance and conductance of a capacitor, the capacitor comprising a first electrode formed by a part of a wall of a casing (2). And a second electrode formed by the sensor element (3) exposed to the flow of the air-fuel mixture. The measuring device is provided with a measuring circuit (1), and the measuring circuit is provided with the capacitors (2, 3) electrically connected to the control circuit (30) and further comprising an oscillator (20), wherein the control circuit (30) determines at least three different sizes of the capacitors (2, 3) from the frequency of the oscillator. And providing said control voltage to an oscillator (20) to form at least three oscillator frequencies by changing said control voltage; Determining a corresponding number of parameters of the measuring circuit (1) from the oscillator frequency of the mixture.
【請求項7】測定された発振器周波数からコンデンサの
キャパシタンスとコンダクタンスを検出し、 当該キャパシタンスとコンダクタンスから混合気の相対
誘電率(εr)を検出する請求の範囲第6項記載の方
法。
7. The method according to claim 6, wherein the capacitance and the conductance of the capacitor are detected from the measured oscillator frequency, and the relative permittivity (ε r ) of the air-fuel mixture is detected from the capacitance and the conductance.
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